黃 河，馮 宇，嚴(yán)家平，魯海峰，劉 偉，郭寶偉，尚相春

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

采動(dòng)地裂縫形成的實(shí)質(zhì)是采礦引起的力學(xué)作用在不同介質(zhì)中的具體體現(xiàn)，隨著采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度時(shí)，巖層進(jìn)入變形、破斷的不平衡狀態(tài)，其原始應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，引起地表各點(diǎn)非均勻沉陷和移動(dòng)變形，當(dāng)表土層受到的應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度，非連續(xù)變形超過(guò)表土層極限變形，土體沿著原有裂隙發(fā)生非連續(xù)破壞，形成地裂縫[1?3]。根據(jù)力學(xué)條件不同，采動(dòng)地裂縫可分為張性、壓性、扭性三類地裂縫，其中張性地裂隙發(fā)育較普遍[4]。影響地表拉張裂隙發(fā)育的因素較多，研究表明[5?6]：采煤區(qū)地表拉張裂隙形成是一個(gè)復(fù)雜的巖土力學(xué)時(shí)空演變過(guò)程，地質(zhì)條件、開(kāi)采工藝、巖層與第四系松散層物理力學(xué)性質(zhì)等對(duì)拉張裂縫的形成與演化影響較顯著。周長(zhǎng)松等[7]通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地裂縫類型及其大小與上覆土質(zhì)相關(guān)，若塑性指數(shù)高、黏性大的黏土受基巖破斷影響形成寬度較大的地裂縫，釋放應(yīng)力后地裂縫難閉合。何國(guó)清等[8]認(rèn)為在相似開(kāi)采地質(zhì)條件下，塑性大的表土層產(chǎn)生地裂縫步距較大，地裂縫尺寸也較大，但裂縫條數(shù)相對(duì)較少。胡振琪等[9]研究表明風(fēng)沙區(qū)地表賦存較厚風(fēng)積沙，具有高孔隙度和半流動(dòng)性特征，力學(xué)強(qiáng)度差，地裂縫具有較強(qiáng)自修復(fù)特征。

采煤區(qū)地表拉張裂隙破壞了原有土層結(jié)構(gòu)，加速了地表水和土壤養(yǎng)分的流失，造成嚴(yán)重的水土流失。范立民等[10]，胡青峰等[11]研究發(fā)現(xiàn)，榆神府礦區(qū)高強(qiáng)度、大規(guī)模開(kāi)采導(dǎo)致的地面塌陷、地裂縫等對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。畢銀麗等[12]研究表明采動(dòng)地裂縫對(duì)土壤中水分運(yùn)移產(chǎn)生較大影響。王銳等[13]通過(guò)對(duì)采空區(qū)地裂縫兩側(cè)植物生物量和植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明：裂縫兩側(cè)0～80 cm 范圍內(nèi)植物生物量和覆蓋度顯著減少。目前針對(duì)采煤區(qū)地表拉張裂隙的防治方法通常采用地表充填法等來(lái)減小拉張裂隙的規(guī)模和危害[14?16]。本文利用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究土體增濕及應(yīng)力引導(dǎo)對(duì)拉張裂隙發(fā)育的影響，探討采煤區(qū)地表拉張裂隙的有效防控技術(shù)。

1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

地表拉張裂隙發(fā)育受多種因素影響，本次室內(nèi)試驗(yàn)主要研究在相同拉張應(yīng)力條件下，土體含水量變化及表面的應(yīng)力環(huán)境對(duì)土體表面拉張裂隙發(fā)育的影響。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用自制模擬裝置如圖1 所示。試驗(yàn)裝置主要由三部分組成，即裝樣盒、升降機(jī)和支架，其中裝樣盒尺寸為100 cm×40 cm×30 cm，其底部中間有一鉸鏈，將裝樣盒一分為二，可沿鉸鏈自由開(kāi)合；升降機(jī)為機(jī)械式升降機(jī)，升降高度為0～20 cm。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing device

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用土取自安徽理工大學(xué)附近場(chǎng)地，土粒比重Gs為2.74，塑限Wp為23.4%，液限WL為41.5%，塑性指數(shù)Ip為18.1，為黏土。試驗(yàn)前先將土晾干、破碎，過(guò)10 目篩子，烘干冷卻后作為試驗(yàn)用土；按含水量分別為30%、35%、40%配制土樣，配制時(shí)將水與烘干土進(jìn)行充分混合、攪拌、浸潤(rùn)，靜置24 h 后待用；裝土前調(diào)節(jié)升降機(jī)使裝樣盒保持水平，將配制好的土樣分層裝入裝樣盒并進(jìn)行壓實(shí)，對(duì)下層土樣表層進(jìn)行打毛后再裝填上一層土樣直到裝填好試驗(yàn)土樣，控制土樣密度。試驗(yàn)時(shí)在相對(duì)封閉的室內(nèi)，利用加濕器來(lái)保持室內(nèi)空氣濕度，避免土樣因蒸發(fā)等引起含水量變化，從而保證土樣含水量的相對(duì)穩(wěn)定。

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)升降機(jī)高度使其上部裝樣盒沿鉸鏈下傾，在土樣內(nèi)形成拉張應(yīng)力，觀察土樣表面拉張裂隙發(fā)育情況及特征；升降機(jī)下降速率控制在1 cm/min，每下降1 cm 后在1 h 內(nèi)觀察土樣表面拉張裂隙發(fā)展變化；至下降3 cm 后，在24 h 內(nèi)持續(xù)觀測(cè)拉張裂隙變化（在試驗(yàn)期間通過(guò)持續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)24 h 內(nèi)裂隙發(fā)育基本穩(wěn)定）。

本次試驗(yàn)除了分析含水量對(duì)土體表面拉張裂隙發(fā)育的影響，還研究了土體表面應(yīng)力環(huán)境改變對(duì)拉張裂隙發(fā)育的影響。按上述方法制備含水量為35%的土樣裝入裝樣盒后，先在距離土樣中線外側(cè)5 cm 位置處，利用刀片劃出一條深5 cm 的橫向劃痕貫穿土樣，再按上述方法通過(guò)調(diào)節(jié)升降機(jī)來(lái)觀察土樣表面拉張裂隙發(fā)育特征。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

含水量為30%時(shí)土樣為可塑狀，實(shí)測(cè)密度為1.29 g/cm3。在升降機(jī)下降4 mm 時(shí)在鉸鏈位置上方土樣表面出現(xiàn)微小裂隙；在下降1 cm 時(shí)裂隙發(fā)育較明顯，裂隙基本貫通，呈近直線型；下降2 cm 時(shí)裂隙完全貫通，且拉張裂隙深度和寬度不斷增大；下降3 cm 時(shí)裂隙寬度和深度持續(xù)增大并逐漸趨于穩(wěn)定，裂隙最大寬度約7 mm，拉張裂隙發(fā)育情況見(jiàn)圖2。

圖2 含水量為30%的土樣表面裂隙發(fā)育情況Fig.2 Development of surface cracks of soil sample with 30% water content

含水量為35% 時(shí)土樣呈軟可塑狀，實(shí)測(cè)密度為1.29 g/cm3。在升降機(jī)下降1 cm 時(shí)土樣表面無(wú)明顯裂隙；下降2 cm 時(shí)，拉張裂隙出現(xiàn)并逐步貫通，裂隙呈近直線型，但有一定彎曲；下降3 cm 后，裂隙完全貫通，裂隙寬度和深度持續(xù)增大，裂隙最大寬度約4 mm，拉張裂隙發(fā)育情況見(jiàn)圖3 所示。

圖3 含水量為35%的土樣表面裂隙發(fā)育情況Fig.3 Development of surface cracks of soil sample with 35% water content

含水量為40% 時(shí)土樣呈軟-流塑狀，實(shí)測(cè)密度為1.28 g/cm3。在升降機(jī)下降1，2，3 cm 時(shí)均未產(chǎn)生拉張裂隙（觀測(cè)時(shí)間同上）。

在土樣中添加劃痕后，當(dāng)升降機(jī)下降0.5 cm，土樣中劃痕處裂隙開(kāi)始擴(kuò)展，下降1 cm 時(shí)，人為劃痕擴(kuò)張至5 mm；下降到2 cm 時(shí)，人為劃痕處裂隙由5 mm 擴(kuò)張到12 mm；下降到3 cm，人為劃痕由12 mm 擴(kuò)張到16 mm，且豎直貫穿到土樣底部。原先產(chǎn)生拉張裂隙的位置在本試驗(yàn)中并未產(chǎn)生拉張裂隙，其他位置拉張裂隙發(fā)育也不明顯，裂隙發(fā)育情況見(jiàn)圖4。

圖4 含水量為35%添加劃痕的土樣表面裂隙發(fā)育情況Fig.4 Development of surface cracks of soil sample with 35% water content and scratch

由試驗(yàn)結(jié)果可知，黏土體含水量變化對(duì)拉張裂隙發(fā)育有顯著影響。隨著黏土體含水量增高，拉張裂隙發(fā)育的寬度和深度均顯著降低，且拉張裂隙形成時(shí)間明顯滯后；當(dāng)含水量增大至40%時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生拉張裂隙。而土樣表面應(yīng)力環(huán)境改變對(duì)裂隙發(fā)育影響明顯，拉張裂隙優(yōu)先在劃痕處擴(kuò)展，可有效避免原先易產(chǎn)生拉張裂隙位置處產(chǎn)生裂隙。

黏土體含水量不同，土體呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，其變形性質(zhì)也不同；當(dāng)含水量較高時(shí)，其塑性變形能力較強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí)土樣密度相同、升降機(jī)下降高度相同，在土樣內(nèi)產(chǎn)生的拉張應(yīng)力基本相似，且在鉸鏈正上方處土樣表層拉張應(yīng)力最大。在拉張應(yīng)力作用下土體產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)土體塑性變形能力較弱時(shí)，拉伸變形量超過(guò)塑性變形量，就容易產(chǎn)生拉張裂隙；當(dāng)土體塑性變形能力較高時(shí)，拉伸變形部分或全部轉(zhuǎn)化為塑性變形，就不易產(chǎn)生拉張裂隙，且拉張裂隙發(fā)育較慢且規(guī)模變小。試驗(yàn)中隨著土樣含水量30%、35%、40%不斷增高，其塑性變形能力也不斷增強(qiáng)，因此在相似拉張應(yīng)力條件下，土樣表面拉張裂隙發(fā)育規(guī)模逐漸變小，至40%時(shí)因其塑性變形能力大，就不會(huì)產(chǎn)生拉張裂隙。

在土樣中添加劃痕，實(shí)際上就是在土樣表面人為形成一個(gè)應(yīng)力薄弱區(qū)。當(dāng)這個(gè)應(yīng)力薄弱區(qū)范圍內(nèi)存在拉張應(yīng)力時(shí)，拉伸變形將優(yōu)先在應(yīng)力薄弱區(qū)反映；通過(guò)人為設(shè)立應(yīng)力薄弱區(qū)，可以有效改變拉張應(yīng)力發(fā)育位置及方向。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

為了研究采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育的有效防控技術(shù)，本次研究基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展了拉張裂隙防控現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地基本情況

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地選擇淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司孫疃煤礦1047 工作面。孫疃煤礦為生產(chǎn)礦井，位于安徽淮北礦區(qū)，地貌類型屬于黃淮海沖積平原，上覆第四系松散層厚約200 m，下伏C-P 含煤地層。1047 工作面是孫疃煤礦當(dāng)前主采工作面，走向長(zhǎng)560 m，傾向?qū)?20 m，切眼方向150°，機(jī)巷、風(fēng)巷方向?yàn)?0°。采煤方法為綜采法，采深?280.4～?427.3 m，主采煤層為10 煤，采厚約3.3 m。1047 工作面表層土體為黏土，其基本性質(zhì)與室內(nèi)試驗(yàn)所用黏土基本相似，其基本性質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)黏土基本性質(zhì)對(duì)比Table 1 Comparison of clay properties between laboratory test and field test

由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，1047 工作面回采期間，地表拉張裂隙發(fā)育明顯。按發(fā)育特征地表拉張裂隙分為兩大類，一類是平行于切眼方向的拉張裂隙（切眼裂隙），一類是平行于機(jī)巷、風(fēng)巷的拉張裂隙（風(fēng)機(jī)裂隙）?！扒醒哿严丁彪S著地下采煤活動(dòng)的推進(jìn)從無(wú)到有、由小變大再逐漸變小，最后趨于閉合；而“風(fēng)機(jī)裂隙”隨著工作面推進(jìn)不斷向前延展，裂隙寬度及深度逐漸發(fā)展，趨于穩(wěn)定并長(zhǎng)期存在?！扒醒哿严丁卑l(fā)育寬度和深度相對(duì)較小，裂隙寬度從幾毫米到幾厘米不等，深度從幾十厘米至2～4 m 不等；“風(fēng)機(jī)裂隙”寬度從幾厘米到幾十厘米不等，深度從幾十厘米至幾十米不等?！扒醒哿严丁敝饕l(fā)育在當(dāng)前開(kāi)采位置前方150 m 范圍，裂隙間距8～12 m不等，“風(fēng)機(jī)裂隙”主要發(fā)育在風(fēng)巷、機(jī)巷外圍60～150 m范圍，一般會(huì)發(fā)育多條，呈一定間隔出現(xiàn)。

本次試驗(yàn)針對(duì)這兩種不同類型的拉張裂隙，分別采用增濕法和應(yīng)力引導(dǎo)法，來(lái)研究拉張裂隙的有效防控技術(shù)。增濕法試驗(yàn)地塊選擇在1047 工作面切眼前方370 m處的一塊40 m×40 m 的地塊（當(dāng)前回采位置從切眼向前推進(jìn)至220 m），試驗(yàn)地塊位置參見(jiàn)圖5。應(yīng)力引導(dǎo)法試驗(yàn)點(diǎn)選擇發(fā)育顯著的一條“風(fēng)機(jī)裂隙”。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地塊位置示意圖Fig.5 Location of field test site

2.2 試驗(yàn)方法

增濕試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)井下采煤活動(dòng)推進(jìn)速度，結(jié)合地表拉張裂隙發(fā)育情況，在拉張裂隙即將影響到試驗(yàn)地塊之前，利用水泵從鄰近水源抽水澆灌試驗(yàn)地塊，每天連續(xù)澆水4 h 后，經(jīng)過(guò)20 h 的自由入滲，利用水分速測(cè)儀對(duì)試驗(yàn)地塊土體含水量及滲透深度進(jìn)行測(cè)量，持續(xù)5 d。由測(cè)試結(jié)果可知，表層0.5 m 深度內(nèi)土體含水量顯著增高，由原來(lái)21%增大至35%。隨著工作面向前推進(jìn)，觀測(cè)試驗(yàn)地塊與周邊未增濕地塊地表拉張裂隙的發(fā)育情況。在觀測(cè)期間為了減小因蒸發(fā)而導(dǎo)致的土體含水量降低影響，利用水泵噴灑的方式適量地澆水，保持土體含水量的相對(duì)穩(wěn)定。

應(yīng)力引導(dǎo)法試驗(yàn)時(shí)，選擇一條典型的“風(fēng)機(jī)裂隙”，裂隙呈北偏東30°方向延伸，在裂隙末端未出現(xiàn)裂隙處，利用輕便鉆機(jī)施工一排深度3.0 m、孔徑50 mm、孔間距0.5 m 的20 個(gè)鉆孔，長(zhǎng)度約10 m，鉆孔排列方向?yàn)楸逼珫|25°（與原裂隙延伸方向偏轉(zhuǎn)5°），然后用鐵鍬在每?jī)蓚€(gè)鉆孔間直切一條深0.3 m 的切痕，觀測(cè)此“風(fēng)機(jī)裂隙”隨著工作面推進(jìn)時(shí)的發(fā)展情況。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

隨著工作面持續(xù)向前推進(jìn)，“切眼裂隙”仍不斷出現(xiàn)，但通過(guò)對(duì)與“切眼方向”平行的增濕地段和未增濕地段拉張裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀察，表現(xiàn)出顯著的差異性，具體觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，增濕地段拉張裂隙發(fā)育數(shù)量及寬度等均顯著減少，表明增濕法對(duì)抑制地表拉張裂隙發(fā)育有顯著效果。

表2 不同試驗(yàn)地段拉張裂隙發(fā)育情況對(duì)比Table 2 Comparison of tensile fractures development in different testing sections

對(duì)應(yīng)力引導(dǎo)的“風(fēng)機(jī)裂隙”進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著工作面不斷推進(jìn)，新生成的拉張裂隙基本沿著鉆孔排列方向發(fā)展，后在第13 個(gè)鉆孔位置處（約6.5 m）裂隙方向發(fā)生改變，基本又回到原先延展方向，拉張裂隙寬度基本未變。這主要是由于形成“風(fēng)機(jī)裂隙”的拉張應(yīng)力巨大，裂隙發(fā)育規(guī)模較大，且方向基本固定，在小范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)境改變可以對(duì)裂隙方向產(chǎn)生影響，但從大范圍來(lái)看，對(duì)拉張裂隙影響較小。本試驗(yàn)表明通過(guò)應(yīng)力引導(dǎo)法可以在一定范圍內(nèi)改變地表拉張裂隙發(fā)育方向，對(duì)保護(hù)拉張裂隙延展方向上特定的小目標(biāo)物具有一定的效果。

3 結(jié)論

地表拉張裂隙的形成是采煤區(qū)常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，往往會(huì)造成采煤區(qū)水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化。本次研究通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了黏土體含水量變化及應(yīng)力環(huán)境改變對(duì)拉張裂隙發(fā)育的影響，室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著黏土含水量增高，拉張裂隙發(fā)育的寬度和深度均顯著降低，且拉張裂隙形成時(shí)間明顯滯后，當(dāng)土樣含水量增大至40%時(shí)，表面不會(huì)產(chǎn)生拉張裂隙；在土樣表面人為形成應(yīng)力薄弱區(qū)，可以有效改變拉張應(yīng)力發(fā)育位置。

通過(guò)在孫疃煤礦1047 工作面開(kāi)展增濕法和應(yīng)力引導(dǎo)法抑制拉張裂隙現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：增濕法對(duì)抑制“切眼裂隙”有顯著效果；應(yīng)力引導(dǎo)法在一定范圍內(nèi)改變“風(fēng)機(jī)裂隙”發(fā)育方向有明顯效果。本次研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)采煤區(qū)地表拉張裂隙的有效防控具有重要的指導(dǎo)意義。